传统CRISPR难以插入大片段基因。科学家正在开发融合重组酶与转座酶的新型编辑工具，实现全长健康基因的精准植入。
Cas9蛋白(白色)利用引导RNA(蓝色)在DNA(绿色)上进行精准切割。
10年前，Ying Zhang加入了位于瑞士楚格的CRISPR Therapeutics公司。这家成立于2013年的生物技术公司旨在利用CRISPR-Cas9基因编辑技术治疗疾病。然而在实际操作中，Ying Zhang和同事们发现，如果要用健康的基因彻底替换有缺陷的基因，CRISPR-Cas9的能力相当有限。
如今，在武汉大学工作的Ying Zhang与全球同行正在开发一套全新的基因编辑工具箱。斯克里普斯研究所的Shannon Miller表示，新一代编辑技术迎来了爆发式增长。虽然这些新技术各有优劣，但它们正在突破传统工具的局限。再生元制药的Amy Pooler指出，基因编辑没有一劳永逸的方案，选择哪种工具取决于插入DNA的长度、目标位置以及细胞类型。
CRISPR-Cas9非常擅长通过切断DNA来实现基因敲除，而单碱基编辑技术则能精准修改单个DNA字母。但这两种技术都有明显短板。CRISPR-Cas9需要切断DNA双链，依赖细胞不完美的自我修复机制，容易导致不可预测的基因损坏。单碱基编辑虽然精准，但面对拥有成百上千种突变类型的遗传病时却力不从心。以可导致失明的斯塔加特病为例，该病由ABCA4基因的1200多种突变引起，单碱基编辑需要研发数百种不同的药物，这在商业和临床上极不现实。如果能直接植入一整段正常的健康基因，就能用一种疗法解决一种遗传病。
此外，大片段基因插入还能为细胞赋予全新功能，例如让CAR-T免疫细胞具备感知肿瘤并释放免疫蛋白的能力，或者帮助基础研究人员构建复杂的疾病模型与人工合成染色体。
然而，CRISPR-Cas9在插入超过2000个碱基对的DNA片段时效率会急剧下降，且难以在神经元等不分裂的细胞中工作。引导编辑虽然不切断双链，却只能容纳几百个碱基。俄亥俄州立大学的Bin Liu表示，这成为了整个领域的核心瓶颈。
为了突破这一瓶颈，科学家将CRISPR的定位能力与大片段缝合酶结合起来。哈佛医学院的Omar Abudayyeh和Jonathan Gootenberg开发了一种名为PASTE的技术，利用来自大型丝氨酸重组酶的Bxb1酶，在无需切断双链的情况下，将成千上万个碱基精准缝入基因组。Tome Biosciences生物技术公司的研究人员利用该技术在猕猴体内进行了实验，仅需一次治疗就能修复乙型血友病相关基因，成功覆盖了约50%的肝脏细胞。不过，PASTE技术需要输送多种酶、指导RNA和供体DNA，组件非常复杂，向肝脏以外的器官递送仍面临巨大挑战。
还有一些团队尝试利用转座子等移动遗传元素。哥伦比亚大学的Sam Sternberg与麻省理工学院与哈佛大学博德研究所的David Liu优化了evoCAST系统，可以在人体细胞中插入多达15000个碱基。然而该系统需要6到7种蛋白质配合，递送难度极大。
相比之下，Shannon Miller尝试从细菌的基因重组技术中寻找灵感，将系统体积缩小到可以装入单个腺相关病毒载体中。另一种R2反转录转座子则可以直接通过脂质纳米颗粒以RNA形式递送，运载量更大。虽然重定向转座子的定位域十分困难，但研究人员可以将供体DNA缝合到预先选定的基因组安全区域。随着这些新工具的不断完善，基因编辑正迈向全长基因精准植入的新时代。
原文：https://www.nature.com/articles/d41586-026-02964-w